Nature Neuroscience：科学家揭示前额叶皮层调控快速眼动睡眠的神经环路机制

神经周K

2023-09-27 21:38发布于湖北科普领域创作者

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正常睡眠对于维持机体活动是必需的。睡眠可分为快速眼动睡眠期间(REM)和非快速眼动睡眠期间(NREM)阶段，其中REM时期海马θ振荡活动增强，为协调海马和皮层之间的神经网络活动提供了连接窗口。抑郁症等多种神经精神疾病中存在相位REM期紊乱。前额叶皮层（mPFC)是调控认知功能、注意力、情绪等功能的高级脑区，投射到与睡眠觉醒相关的下丘脑，脑干等区域。

2023年9月21日宾夕法尼亚大学Franz Weber研究团队在Nature Neuroscience杂志上发表文章揭示了前额叶皮层维持快速眼动睡眠的发生。

mPFC脑区锥体兴奋性神经元维持REM的发生

研究人员通过光纤钙成像记录系统发现向REM转变阶段和REM持续阶段mPFC脑区锥体兴奋性神经元活性增强。正常小鼠脑电谱图显示θ(6-9.5Hz)和γ(50-90Hz)振荡活动在REM期间显著增加。在光激活mPFC脑区锥体兴奋性神经元可增强θ振荡活动，促进非快速眼动睡眠向快速眼动睡眠转变，REM时间增多。进一步通过闭环光遗传学实验（在REM起始到结束阶段）自动激活mPFC脑区锥体兴奋性神经元增强θ振荡活动，促进REM。在光抑制mPFC脑区锥体兴奋性神经元可显著降低REM期间θ振荡活动，并缩短REM的持续时间，表明mPFC脑区锥体兴奋性神经元维持REM的发生。

图1：mPFC脑区锥体兴奋性神经元维持REM的发生

mPFC脑区锥体抑制性神经元抑制REM的发生

上述研究结果证实了mPFC脑区锥体兴奋性神经元维持REM的发生，那么mPFC脑区抑制性神经元发挥什么作用？光激活mPFC脑区抑制性神经元可减少REM的持续时间，增加非快速眼动睡眠时间，并促进REM向觉醒时期转变。与激活兴奋性神经元相比，激活抑制性神经元降低θ振荡活动。闭环光遗传学实验（在REM起始到结束阶段）激活mPFC脑区锥体抑制性神经元也显著减少REM时间，表明mPFC脑区锥体抑制性神经元抑制REM的发生。

图2：mPFC脑区锥体抑制性神经元抑制REM的发生

mPFC脑区兴奋性神经元的输入和输出脑区

病毒示踪实验mPFC脑区兴奋性神经元投射到基底外侧杏仁核，外侧下丘脑(LH),丘脑核，中脑导水管周围灰质外(PAG)以及外侧被盖核（LDTg)。光激活上述环路后，仅mPFC-LH环路可促进非快速眼动睡眠向快速眼动睡眠期转变，θ振荡和γ 震荡增强，并增加REM持续时间。特异性抑制mPFC-LH环路降低θ振荡频率，减少REM持续时间，增加觉醒时间。

通过光纤钙成像技术记录睡眠期间投射到LH的mPFC脑区神经元活性，将激活的神经元群分为四个亚类，觉醒期间激活的神经元约占11.7%，比例最少；非快速眼动睡眠(NREM)激活的神经元约占24.8%，REM激活的神经元(简称REM max神经元群)占比最多，为57.7%。进一步根据在NREM和觉醒期间激活强度，REM max神经元群分为R>W>N和R>N>W神经元群，这两亚类在NREM向REM期间转变均表现出神经元活性增加。

图3：mPFC脑区兴奋性神经元的输出脑区

总结

本文揭示了mPFC脑区调控快速眼动睡眠的神经环路机制，这种机制很大程度上揭示了部分神经精神疾病存在睡眠障碍的原因。

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